2021-06-22 09:20:27  招生问答

    【研究进展】Journal of Hydrology|科研人员支招如何实现“青山”、“绿水”、“降温”的共赢    


【研究进展】Journal of Hydrology|科研人员支招如何实现“青山”、“绿水”、“降温”的共赢

近期,广东省科学院广州地理研究所苏泳娴研究员团队联合中山大学、华南农业大学和南京信息工程大学的科研人员,发现了森林“保耗水”和“增降温”效应的关联机制,相关系列成果发表在农林、环境以及水文领域权威期刊 Journal of Hydrology、Agricultural and Forest Meteorology和Environment International上。该研究成果对于进一步科学合理的引导植树造林,最终实现“绿水”、“青山”、“降温”共赢,具有重要的理论指导意义。

【研究进展】Journal of Hydrology|科研人员支招如何实现“青山”、“绿水”、“降温”的共赢

导读

【研究进展】Journal of Hydrology|科研人员支招如何实现“青山”、“绿水”、“降温”的共赢

中国有两句有关森林的谚语俗语“青山常在,绿水长流”和“大树底下好乘凉”为我们大家熟知。从字面上我们很容易理解,“青山常在,绿水长流”是指“有植被覆盖的山,常年有清水流出”,“大树底下好乘凉”则是指“树越大、越浓密,树底下就越凉快”。

然而这两句谚语俗语蕴含着两个重要的森林生态系统方面的科学问题:(1)一方面,研究表明,植树造林在某些地区会显著减少水资源,但在部分地区对水资源的负作用并不显著,甚至有利于水源涵养。那么,为什么不同地区植树造林会带来不同的水资源效应呢?即森林“保耗水”问题。(2)另一方面,研究发现,森林在某些地区会显著降低内部温度,但在部分地区林内温度会高于外部温度,那么,为什么不同地区的森林会带来不同的局地温度效应呢?即森林“增降温”问题。

近年来联合国首部全球森林发展战略《联合国森林战略规划(2017-2030年)》的通过,赋予了林业前所未有的新使命。因此厘清森林“保耗水”和森林“增降温”的地理空间分布特征,揭示这些现象背后的影响机制,对指导“在对的地方干对的事情”,实现森林功能的最优化提供有力的理论支撑。

思路来源

基于生物物理机制模型的森林热环境效应研究,详细揭示了地表反照率、显热通量、潜热通量(蒸散)等相关生物物理因素对森林热效应的影响。然而关于森林水资源效应研究,大多基于Budyko简易水热框架的蒸散发公式,缺少详细的森林生物物理过程描述,使得影响森林水资源空间分布规律的生物物理机制解析不足。

基于此,研究团队提出如下科学假设:森林“保耗水”和“增降温”的本质是同一个生态学机制,是生物物理过程在水效应和热效应上的不同体现。因此研究团队突破现有研究水热效应分割的现状,通过生物物理过程将森林水热效应耦合,揭示森林“保耗水”和“增降温”之间的神秘关系。

正文介绍

研究团队首先对森林辐射传输方程进行改进(详见Su等,2019),引入林内空气层,将森林覆盖的地表拆分成森林冠层和林下土壤层,然后分别构建了冠层的辐射传输平衡方程和土壤层辐射传输平衡方程,然后将两者叠加,构建了森林覆盖地表的三层能量辐射传输方程。该辐射传输方程能将林内气温和林下土壤温度拆分出来,为分别研究生物物理过程对气温和土壤温度的作用提供了技术支撑。基于该三层能量辐射传输理论,研究团队进一步耦合水量平衡方程,从理论上将造林引起的径流系数变化与森林生物物理过程关联起来(公式1,Chen等,2021)。研究团队在全球搜集了12个配对站点的林内外气温、土壤表层温度和径流系数进行了精度验证(RMSE= 0.02 mm mm-1 yr-1)(图1)。

公式(1)

其中,是林内外径流系数差;是辐射与降雨之比,表征气候干旱指数;△a是林内外反照率差异;△Tc是林冠温度与气温的差异;△Ta是林内外气温差;△Ts是林内外土壤表层温度差;λ是潜热—蒸散发转换因子,为常量。

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图1 全球12个配对站点及径流系数变化量()模拟验证结果。

从公式(1)看出,森林覆盖引起的径流系数变化()约等于气候干旱指数()与森林生物物理作用(包含△a项,△Tc项,△Ta项,和△Ts项等)的乘积。森林生物物理过程决定了森林覆盖变化引起径流系数变化的方向。气候干旱指数()则起到调节数值大小的作用,即在>1的干旱气候下,森林生物物理过程对水资源的影响将被放大;即在<1的湿润气候下,森林生物物理过程对水资源的影响将被缩小。基于12对站点的研究结果显示(图2),森林每个生物物理作用项(△a项,△Tc项,△Ta项,和△Ts项),不管对是正效应还是负效应,其量值大小均随着气候干旱指数()的增大而增加。该结果诠释了森林覆盖变化对作用呈现气候敏感性差异的生物物理机制。

图2 森林生物物理作用(△a项,△Tc项,△Ta项,和△Ts项)引起的径流系数变化量()与气候干旱指数()的关系。

研究团队进一步提出了表征森林水热效应耦合关系的WPT指数——单位降温效应对应的径流系数变化量()。结果显示(图3和图4),WPT随着气候干旱指数()的增大而增加,这表明在干旱气候下单位降温效应消耗的水资源较大,而湿润气候下单位降温效应消耗的水资源相对较小。研究结果可能暗示,在干旱气候下森林系统能量以潜热形式流失的比例较大,而湿润气候下则可能以显热及长波辐射流失的比例较多,这可能是不同气候下径流系数对森林覆盖变化的响应强度呈现差异的主要原因之一。

图3 单位降温效应对应的径流系数变化量(WPT)与气候干旱指数()的关系。

图4 干旱和湿润气候下森林覆盖变化对径流系数的影响示意图。

作者观点

森林“保耗水”和“增降温”的本质是同一生态学问题,是森林生物物理过程在水效应和热效应上的不同体现。非潜热通量(显热、长波辐射等)和潜热通量等森林生物物理过程的权衡关系是决定“保水”还是“耗水”、“增温”还是“降温”的主要原因,气候因子则起到调节该效应显著程度的作用。该研究成果对于进一步科学合理的引导植树造林,最终实现“绿水”、“青山”、“降温”共赢,具有重要的意义。例如,低纬度热带亚热带地区具有比较湿润的气候条件,植树造林对其地区水资源的作用不显著。高纬度森林呈现较强的增温现象,从其表征的热环境效应推断,高纬地区造林对水资源的负面效应也不显著。中纬度干旱半干旱地区,造林可能对地区水资源产生显著的负面影响。

研究得到国家自然科学基金面上项目《林内能量平衡过程重塑及森林对气温和地温的生物物理反馈拆分研究》、科技部《中法杰出青年交流项目》、广东省自然科学基金项目《广东省森林垂直结构截留和水化学输出规律及其对酸雨的缓解能力评估》、广东省科技厅国际科技合作项目《绿地生态系统服务功能、低碳城市及可持续发展》以及广东省科学院广州地理研究所“卓越人才计划”等项目的联合资助。

相关文章列表:

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Su, Y., Liu, L., Wu, J., Chen, X.*, Shang, J., Ciais, P., Zhou., G., Lafortezza, R., Wang, Y., Yuan, W., Zhang, H., Huang, G., Huang, N. (2019). Quantifying the biophysical effects of forests on local air temperature using a novel three-layered energy balance model. Environment International,132, 105080.

Su, Y., Liu, L., Liao, J., Wu, J., Ciais, P., Liao, J. He, X., Liu, X., Chen, X.*, Yuan, W. & Zhou, G. (2020). Urban vegetation cooling/warming on local air temperature: a synthetic analysis of global site observations. Agricultural and Forest Meteorology, 280, 107765.

Chen, X., Liu, L., Su, Y.*, Yuan, W., Liu, X., Liu, Z., & Zhou, G. (2021). Quantitative association between the water yield impacts of forest cover changes and the biophysical effects of forest cover on temperatures. Journal of Hydrology. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2021.126529.

 

 

 

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